约24亿至21亿年前，地球经历了历史性的第一次“深呼吸”——大气氧含量首次显著上升，从无氧“有毒”的世界，迈向稳定氧化的宜居星球，这一过程被称为“大氧化事件”，在地球演化史中意义深远。“大氧化事件”是如何发生的?氧气从何而来?
近日，成都理工大学沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授团队和国际学者合作，在国际顶级期刊《自然-通讯》发表重磅研究成果。团队创新运用自主研发的技术，从海洋磷循环出发，还原了地球第一次“深呼吸”，证实磷的供给是调控地球大气氧化的关键“阀门”，为破解地球氧化之谜提供了新的佐证。
远古谜题 无氧地球如何开始第一次“深呼吸”?
地球诞生至今已有约46亿年，在最初的20多亿年里，它是一个没有氧气的“蛮荒星球”。当时的大气层充满了氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、二氧化硫等，但就是没有氧气。在这样一个无氧“有毒”环境里，唯一可能存在的生命是依赖无氧环境生存的厌氧原核生物——极其微小的单细胞细菌。
“从厌氧细菌到如今丰富多彩的生命世界，大气含氧量的大幅上升是决定性转折。”李超教授解释，“大氧化事件”让地球大气氧含量首次稳定在较高水平，不仅重塑了大气、海洋和山川地貌，也更替了大量厌氧生物，为需要有氧环境生存的复杂多细胞真核生命诞生铺平了道路，最终孕育出包括人类在内的复杂生命。
“大氧化事件”中的氧气从何而来?科学界对此提出诸多假设，其中主流是“磷驱动假说”，也就是海洋营养元素磷与大气氧含量之间存在紧密耦合关系。简单说，陆地风化作用加强将更多的磷释放到海洋中，磷促进藻类生长并进行光合作用，最终导致产氧量快速增加。
不过长期以来，由于缺乏可靠的古海洋磷浓度指标，这一假说始终难以直接验证。
“就像要破解一桩远古悬案，虽有想法，却找不到关键证据链。”李超形象地比喻，重建古海洋磷含量，成为破解地球氧化之谜的“卡脖子”难题。
技术突破 给岩石做“体检”，读取有关磷的远古密码
为攻克这一难题，李超教授团队历时多年，自主研发出“碳酸盐结合磷酸盐(CAP)技术”，为追踪或重建古海洋磷含量提供了全新手段。这一技术的原理，如同在岩石中寻找远古海洋的“时间胶囊”。
“海洋中碳酸盐矿物在沉淀时，会捕获周围海水中的磷酸盐而将其保存下来，这样其含量等信息就会被永久记录在‘岩石档案’中。”李超解释，团队通过实验室模拟验证，碳酸盐矿物中的CAP含量与海水磷酸根浓度始终呈现线性关系。只要岩石样品未受到明显后期改造，从中提取的CAP数据就能精准反映当时海水的磷含量波动。
相较于传统方法，CAP技术具有直接、连续的显著优势。“此前科学家只能通过页岩总磷含量等间接指标推测古海洋磷含量，如同雾里看花;而CAP技术能直接读取岩石中记录的原始数据，相当于给远古海洋做了一次精准‘体检’。”李超说。
有了技术支撑，团队启动了大规模的样品采集与分析工作。他们汇集了来自四大洲14个碳酸盐岩地层单元的样品，这些地层均记录了约24.5亿年前的“洛马冈迪事件”——“大氧化事件”期间全球海水中碳酸盐碳同位素出现显著变化的地质现象，为研究海洋磷循环与大气氧含量的关系提供了独特窗口。
科学验证 磷是地球“吸氧”的“燃料”
经过对大量岩石样品的系统分析，团队得出了关键结论：“大氧化事件”期间，不同地区的CAP值与碳酸盐碳同位素变化高度同步。
“碳酸盐碳同位素出现正偏，通常意味着有机碳埋藏增强、氧气积累，CAP值也显著升高。”李超展示了研究图表，代表磷含量的CAP曲线与代表氧气积累的碳同位素曲线，呈现出几乎一致的波动轨迹，清晰地证实了海洋磷含量增加与大气氧气积累的耦合关系。
为进一步验证这一机制，团队构建了包含“近海、外陆架、远洋表层与远洋深水”的四箱生物地球化学模型，模拟磷输入对海洋碳-氧循环的影响。模型结果与地质记录高度契合：当海洋中磷输入增强时，光合生产力与氧气产量迅速上升;当磷供应减少时，氧气水平随之回落，这与“大氧化事件”中氧含量的波动趋势完全吻合。
结果表明，磷的供给是调控地球大气氧化的关键“阀门”。“这相当于给地球表层系统注入了燃料。”论文共同第一作者、李超教授前博士后、现在西澳大学工作的 Matthew Dodd博士解释，“磷是地球生命的最为关键的营养元素，在早期海洋中，磷含量一旦升高，光合生物的生产力和有机碳埋藏就会显著增强。当更多有机碳被封存在岩石中后，氧气便能在大气中自由积累——这就是地球完成第一次‘深呼吸’的过程。”
深远意义 为地外生命探索与资源勘查指路
还原远古地球的第一次“深呼吸”，有啥意义?在揭示磷驱动地球氧化之外，研究也在天体生物学、资源勘查等领域具有重要价值。
“氧气是复杂生命存在的基础，富氧大气常被视为生命存在的潜在标志。”李超介绍，“团队提出的‘磷-氧耦合机制’清晰描绘了宜居星球上氧气的产生与积累路径，为解读系外行星的氧气探测数据提供了新的理论框架，为探索地外宜居行星指路。”
从地球自身来看，“大氧化事件”引发了矿物多样性的爆炸式增长。氧气具有极强的氧化性，能与多种岩石矿物发生反应，形成新的矿物种类。“很多矿产资源和油气资源都形成于早期地球海洋环境，这项研究对相关资源的形成机制研究与勘查工作具有重要指导意义。”李超补充道，“我们也将继续在早期地球环境演化领域持续攻关，继续开展关键‘卡脖子’技术研发和重大科技前沿的攻关，为早期地球演化研究贡献更多东方智慧。”
|
